武器裝備體系對抗仿真技術研究

陸志灃,洪澤華,張 勵,董 晨,錢曉超,宮 琳

(1.上海機電工程研究所,上海 201109;2.北京理工大學 機械與車輛學院,北京 100190)

0 引言

以信息技術為核心的新軍事變革推動著現代戰爭形態轉變,現代戰爭主要模式不再是以往單一軍兵種的作戰,而是多軍兵種協同的體系作戰。現代作戰體系將信息系統與武器系統高度融合,不斷提升基于信息化的體系作戰能力,形成陸、海、空、天、電、網和心理、認知一體化的體系對抗模式。關于體系,目前尚沒有統一的定義。國際上一般認為體系是由系統組成的系統,即system of systems(SoS),family of systems(FoS),super systems,meta systems等[1-2]。本文認為武器裝備體系是針對體系對抗任務,由相輔相成、相互制約的各種武器裝備構成的一個有機作戰整體。武器裝備體系是一種復雜的系統,體系與組成系統及作戰環境之間交互關系復雜,具有非線性、涌現性、博弈性等特點[2-3]。典型的武器裝備體系,如重點區域偵察監視體系、彈道導彈防御武器裝備體系、艦艇編隊聯合防空武器裝備體系、陣地防御武器裝備體系、太空攻防武器裝備體系等。武器裝備體系研究與實施對促進裝備體系技術發展、裝備論證與建設、體系作戰能力提升等有著重大意義。

武器裝備體系研究主要有3種手段：理論研究、實驗研究和仿真研究[4]。其中,體系仿真由于其具有低成本、可重復、可考核邊界、極限、復雜條件下作戰指標等無可比擬的優勢,已成為武器裝備體系研究的重要技術手段[5-8,12]。體系仿真技術是以系統科學、軍事科學、信息科學,以及相關應用領域的專業技術為基礎,以計算機系統、與應用相關的仿真器等為工具,對敵我雙方對抗過程中的武器裝備系統的功能性能、交互關系、行為模式、戰場環境及其效應等進行模擬,以獲取武器裝備體系對抗結果的一項綜合性、交叉性技術。體系仿真技術是武器裝備體系化論證、設計、試驗、分析、訓練、運用等應用領域的重要技術。

本文梳理了發展武器裝備體系對抗仿真技術的需求,介紹了國內外武器裝備體系對抗仿真技術的發展現狀,并從體系仿真的建模技術、支撐技術、工程應用技術等方面詳細論述主要研究方向及相關研究成果。

1 武器裝備體系對抗仿真技術需求

1.1 武器裝備體系建模技術需求

模型是軍事實體在仿真系統中的數字化映射,是武器裝備體系仿真的重要基礎[9]。當前,建模方法已實現從封閉的簡單系統建模發展到開放的復雜系統建模、從自適應性低的靜態建模發展到基于多領域、多視圖、多粒度的動態建模。武器裝備體系是一種動態變化的開放系統,在體系對抗仿真過程中,要體現體系的非線性、涌現性、自適應、對抗雙方博弈等特點,隨著人工智能技術在裝備中的應用,還應反映體系的智能性,這對武器裝備體系建模提出了更多的方法與技術需求,主要包括：1)體系不確定性/涌現性建模技術;2)裝備體系智能化建模技術;3)自適應智能指控、智能規劃決策建模技術;4)作戰體系組織行為建模技術;5)類腦認知建模技術;6)基于大數據的建模技術;7)多分辨率柔性可配置的建模技術;8)網絡信息體系建模技術;9)新概念裝備建模技術;10)新型作戰空間建模技術。

1.2 武器裝備體系仿真支撐技術需求

體系仿真支撐技術以先進的計算機和網絡技術以及仿真和信息技術的標準和規范作為核心技術框架,為體系仿真系統的建模、集成、運行、評估等全壽命周期活動提供技術、工具等基礎支撐。

多軍兵種聯合,多領域、跨學科的融合作戰是體系作戰的重要特征。因而,從技術角度來看,體系仿真支撐技術需關注高效能/智能化/服務化體系仿真支撐技術和跨域/異構聯合仿真支撐技術。

體系對抗仿真過程涉及作戰實體不斷增多,信息流程關系錯綜復雜,仿真評估置信度要求越來越高,使得建模仿真、仿真運行模型調度更為復雜,且評估分析運行樣本數量龐大,對高效能/智能化/服務化體系仿真技術需求尤為迫切。該技術具體有以下特點：1)能以不同加速比進行大規模/大樣本仿真試驗;2)可針對不同資源的任務調度,實現仿真任務的動態遷移;3)可針對不同的評估任務,實現自動指標體系生成以及在線自動評估;4)可針對不同的仿真需求,提供訂制化的仿真資源支持。高效能/智能化/服務化體系仿真需要研究的技術包括：多分辨率柔性可配置建模技術、體系仿真模型和數據資源綜合管理技術、服務化一體化體系仿真架構、高性能分布并行一體化體系仿真引擎技術等。

集成來自不同領域、不同地點、不同類型的仿真試驗資源,構建逼真的體系對抗環境,是高效、高置度開展多領域、跨學科的融合作戰體系仿真的有效途徑。跨域/異構聯合仿真支撐技術主要用于支撐異構系統(如數字仿真、半實物仿真、靶場實裝等)、異構仿真系統(如高級體系結構HLA、試驗與訓練使能體系結構TENA、分布式交互仿真DIS等)和異構網絡(如廣域網、局域網、戰術數據鏈等)的互聯與互操作,實現仿真資源的綜合集成,本文所述“跨域”是指“跨領域”“跨學科”“跨地域”。當前,跨域/異構聯合仿真需要解決的技術主要包括：聯合仿真實時引擎技術、實時仿真網絡通信技術、異構數據智能交互技術、遠程聯合仿真信息安全技術、時空一致性高精度保持技術、多約束條件下聯合仿真實時互操作技術等。

1.3 國內外武器裝備體系對抗仿真技術

1)體系仿真模型研究

在體系仿真模型研究方面,為了促進模型重用與互操作,美軍提出了2類目前廣泛應用的軍用仿真模型開發方法：基于單元(unit)的仿真模型描述方法和基于組件(component)的仿真模型描述方法。基于單元的仿真模型描述方法是從基本的軍事活動出發,如規劃、指揮、機動、維保等,描述模型的屬性和功能。采用這類模型體系的仿真平臺主要有作戰人員仿真系統(WARSIM2000)、聯合作戰仿真系統(JWARS)等;基于組件的仿真模型描述方法是從作戰裝備出發,如飛機、艦船、武器系統等,描述模型的屬性和功能。采用該模型體系的仿真平臺主要有擴展防空仿真系統(EADSIM)、柔性分析建模與訓練系統(FLAMES)等。在此基礎上,美軍構建了權威的建模與仿真資源知識庫,美國國防部建立了仿真資源網站,將其作為仿真資源庫的入口,美國陸軍、海軍、空軍等建模與仿真管理機關建立了10個仿真資源庫節點,不同節點之間能夠彼此訪問,共享仿真資源信息,支持資源共享和重用。

國內在這一領域研究起步較晚,主要以跟蹤研究為主,但研究進展較快。在模型體系設計、建模理論與方法研究方面接近國際先進水平。裝備論證及研制單位,針對各自領域,構建了較為完備的仿真模型庫。但在模型庫的建設過程中,未遵循統一的標準,導致模型的重用與互操作性差,難以實現資源共享。目前,我國正在推進相關標準的研究與制定,積極建設國家級的仿真資源庫,以促進資源的共享。

2)體系仿真支撐技術研究

美軍體系仿真技術發展非常迅猛,開發了任務級的擴展防空仿真系統(EADSIM)、戰役級的聯合作戰仿真系統(JWARS)和聯合仿真系統(JSIMS)、戰區級的聯合戰區級仿真系統(JTLS)等商業化的仿真支撐軟件[10-11]。不斷發展聯合任務試驗環境(JMETC),實現地域上分布的試驗靶場、訓練基地、實驗室以及演習部隊互聯,推動了研究、試驗、訓練、評估一體化聯合仿真水平不斷提升。截至到目前,JMETC已實現分布在全美的110多個功能站點的互聯。支撐了“千年挑戰(MC)”“紅旗”“施里弗”等一系列軍演。在彈道導彈防御系統(MD)等裝備體系研制的全過程中發揮了重要作用。

國內,在引進吸收的基礎上,開發了“擴展仿真平臺(XSimStudio)”“數字武器開發平臺(DWK)”“基于組件的一體化建模與仿真系統(CISE++)”等一些自主知識產權的體系對抗仿真平臺,并逐步在航空、航天、船舶、兵器等國防工業部門中開展應用。國內在聯合仿真研究方面起步較晚。哈爾濱工業大學根據HLA/TENA 相關規范及國內靶場試驗訓練情況,提出HIT-TENA 體系結構標準,應用于分布式虛擬試驗系統平臺的搭建和相關仿真軟件的開發。國防科技大學將TENA 通信中間件公共對象請求代理體系結構(CORBA)替換為數據分發服務(KD-DDS),實現了分布式系統仿真環境中各個仿真節點之間高效、高速的數據交互。

總體而言,國內武器裝備體系對抗仿真技術還存在一定差距。一方面,建模方法難以滿足新概念體系作戰仿真需求,模型體系不完善,重用與互操作性差;另一方面,支撐平臺技術不適應高效能、智能化、服務化體系仿真需求。因此,為滿足迫切的應用及技術需求,必須開展相應關鍵技術研究,研制具有自主知識產權的產品。

2 武器裝備體系對抗仿真關鍵技術

武器裝備體系對抗仿真涉及若干關鍵技術,針對武器裝備體系對抗仿真技術需求,重點闡述體系仿真建模技術、體系仿真支撐技術2 類關鍵技術。

2.1 體系仿真建模技術

體系仿真建模主要基于相似性原理、數據科學、人工智能等方法與技術,對實戰環境下紅藍雙方對抗過程中仿真對象的功能性能、交互關系、行為模式、頻譜特性、戰場環境及其效應等進行模擬,支撐體系對抗仿真與評估。體系仿真建模技術主要涉及建模理論與方法、實體建模、行為建模、復雜環境建模等方面。其中,基于大數據的建模技術、復雜環境建模等是當前的研究熱點。

1)基于大數據的武器裝備體系建模技術

武器裝備體系是一種復雜系統,存在大量非線性、不可控、不確定、難以預知等難以量化的因素,不再是簡單的線性關系,導致武器裝備體系高置信度建模越來越困難,甚至不可能。此外,武器裝備在全生命周期內產生了反映其各方面特性的大量數據,但相關數據利用率很低,數據價值未能充分挖掘。由于基于大數據的建模是一種數據關聯性建模,為“黑盒”建模方法,而非事件的因果性建模,因此,利用大數據技術手段,對于提高存在大量非線性、不確定性特征的武器裝備體系的建模效率、置信度等具有較好的理論與應用價值。圖1給出了一種基于大數據的建模思路。由圖可見,基于大數據的建模首先以大數據技術為手段進行數據倉儲化存儲、降維、融合等建模仿真預處理;然后采用因素間關聯分析、聚類分析等數據挖掘手段,建立研究對象與數據屬性項之間的關系,并篩選識別敏感指標,構建針對系統、子系統的分層指標體系;最后采用基于大數據的建模仿真和傳統的基于模型的仿真相結合的方法,開展復雜系統中各分系統的建模仿真,采用基于妥協決策的方法對體系進行多領域綜合建模,最終實現武器裝備體系建模。

圖1 基于大數據的建模思路框圖Fig.1 Diagram of big data-based modeling

2)復雜戰場環境建模

環境建模主要研究環境與武器裝備間的相互影響。戰場環境建模研究內容繁多,針對臨近空間、太空等空域,主要研究大氣、云、電離層、極光、地球臨邊電磁環境、太陽輻射、深空背景(星空)等環境與效應的機理,研究環境因素對裝備在識別、跟蹤、引導等鏈路中重要環節的影響。其中,環境對傳感器探測及識別概率、對鏈路通信效果等影響的建模是目前研究重點。戰場環境與武器裝備相互作戰的物理機理十分復雜,特別是裝備在跨空域/介質飛行過程中涉及多種物理場耦合,實現環境影響效應模擬的無縫銜接較為困難,是復雜戰場環境建模當前研究難點。圖2給出了一種數據驅動的臨近空間、太空環境建模原理框架。該模型反映了臨近空間及太空光學環境對武器裝備主/被傳感器探測概率的影響。建模過程中考慮臨空環境/臨邊大氣、太陽和深空背景(背景恒星輻射)等幾類背景環境,結合探測時間、觀測幾何關系、探測器屬性(位置、方向、姿態等)、太陽輻射模型、臨近空間大氣模型、臨邊大氣模型、深空背景模型等計算獲取其輻射特性;然后,結合目標的輻射特性,并考慮大氣透過率的影響,得到目標和背景環境耦合的輻射場景;最后,結合考慮探測器相關參數,利用探測系統的信雜比與探測概率關系獲得特定環境下裝備的探測概率。

圖2 戰場環境建模原理框圖Fig.2 Diagram of battlefield environment modeling

2.2 體系仿真支撐技術

體系仿真支撐技術主要包括支撐體系建模、集成、運行、評估等全壽命周期活動的相關技術。當前,值得關注的有高效能/智能化/服務化體系仿真支撐平臺技術和跨域/異構體系對抗聯合仿真平臺支撐技術。

1)高效能/智能化/服務化體系仿真支撐平臺技術

隨著軍事對抗從“平臺對抗”發展到“體系對抗”,武器裝備作戰體系面臨的使命或任務的參量發生了很大的改變。在短時間內涉及的作戰元素從幾十變成幾百、幾千,甚至幾萬,作戰武器從單一武器系統到多武器系統協同作戰。因而,體系對抗仿真面臨“維數災”和“復雜性災”,亟需發展更高效能、更加智能的體系仿真支撐平臺技術。高效能/智能化/服務化大規模體系仿真支撐平臺技術為模型開發、想定制作、模型部署、多種協議下的系統集成、運行管理及數據在線采集等提供工具及標準規范支撐,為大規模體系仿真提供智能化、服務化開發、高效率運行的公共支撐環境。

圖3給出一種高效能/智能化/服務化大規模體系仿真支撐平臺架構。該平臺以組件化協同建模技術、C4ISR 體系架構作為核心技術框架,使用高性能分布并行一體化體系仿真引擎。

由圖可見,平臺采用3層結構,包括支撐層、模型層、應用層。其中：支撐層提供支撐裝備體系建模、仿真運行與分析評估等的基礎軟硬件環境,包括模型設計、想定編輯、仿真引擎、效能評估、態勢顯示等一系列工具集,以及多臺仿真工作站組成的局域網環境;模型層包括裝備模型、典型威脅目標模型以及戰場環境模型、作戰想定,針對裝備體系仿真建模粒度需求,采用組件化模型設計方法,進行設計和開發,構建攻防雙方模型庫,為不同想定下的仿真應用提供模型共享和重用;應用層,基于多臺計算機節點網絡互聯硬件環境以及仿真軟件支撐環境下,針對裝備體系研究具體應用開發構建仿真應用系統,在仿真引擎驅動下,實現典型應用背景的體系作戰仿真。

基于該平臺目前已構建了覆蓋我國陸軍、海軍、空軍、火箭軍,以及多軍種聯合作戰的體系仿真應用系統,為作戰概念研究、武器裝備立項論證、武器裝備作戰運用研究等提供了重要的技術及手段支撐。

2)跨域/異構體系對抗聯合仿真平臺支撐技術

傳統的試驗體系和管理機制是以單裝備、單系統分段獨立試驗為主,在一定程度上造成了目前部門之間、仿真試驗系統之間存在林林總總的“煙囪”,限制了整體仿真能力發揮,難以對裝備體系的整體作戰效能進行全面科學的考核與評估,不能適應基于信息系統的體系化裝備發展需求。跨域聯合仿真可以打破阻礙信息流動、實時共享和資源優化等各種壁壘,實現仿真系統間互聯、互通、互操作,促使仿真總體效能的導向“涌現”。

圖3 高效能/智能化/服務化體系仿真支撐平臺架構Fig.3 Support platform architecture of high-effect/intelligence/service SoSsimulation

圖4給出一種跨域/異構體系對抗仿真平臺在試驗前、中、后不種階段的主要活動及所提供的工具集。該平臺以統一資源管理為基礎,提供仿真代理開發、接口適配器開發、調試診斷、試驗設計和訓練規劃、應用部署、運行管控和狀態監視、態勢顯示、數據采集、接口校驗、在線和離線分析評估等工具,相互關聯銜接,全方位全過程支撐任務指揮、技術開發、參試受訓、分析評估、系統管理人員在試驗訓練前、中、后3個階段的業務流程和活動。

基于該平臺,目前已實現了1 000 km 分布范圍內的信息系統、指揮控制系統、打擊/防御火力系統等仿真試驗資源的一體化集成,開展了跨域體系對抗聯合仿真試驗演示。

3 體系仿真工程應用技術

3.1 體系仿真系統校核、驗證、確認(VV&A)技術

體系仿真系統應用的前提是保證系統的可信性。VV&A 是實現仿真系統高置信的重要手段。VV&A 是指校核(verification)、驗證(validation)、確認(accreditation)。

仿真系統中使用的模型可分為3種類型：現役裝備模型、新概念裝備模型以及藍方模型。對于3類模型的可信度評估方法有所區別。對于現役裝備模型的可信度評估,主要采用定量方法基于仿真數據和參考數據進行一致性分析,具體可分為模型輸出特征分析、評估數據準備及預處理、數據一致性分析、一致性分析結果綜合以及模型可信度評估結果輸出5個階段。對于新概念裝備模型和藍方模型,由于缺乏參考數據,同時多數新概念武器裝備模型僅為功能性模型,因此主要采用定性的評估方法,如模糊綜合評判法,對其進行可信度評估,主要步驟分為建立因素集、建立評判集、建立權重集、建立單因素判斷矩陣、模糊綜合評判等5個階段。隨著基于大數據的建模、智能化建模等新的建模理論與方法的出現,給仿真模型的VV&A 帶來了新的挑戰,也是VV&A 技術后續重要的研究方向。

3.2 面向高維變量空間的體系仿真試驗設計技術

體系仿真試驗具有設計參量數目眾多、類型各異、指標多樣等特點,其仿真試驗設計針對的為高維變量空間,如何在不影響評估效果的前提下,解決仿真試驗參數組合爆炸的問題,最大程度提高仿真效率,是體系仿真試驗設計的主要研究內容。

影響仿真試驗運行效率的主要因素為試驗因子的數目和選用的試驗設計技術。因此可以從以上兩方面入手,開展仿真試驗設計,提高試驗運行效率。其中一種方法是：首先進行試驗需求分析,采用高維變量空間尋需技術獲得仿真試驗因子集合,然后采用基于靈敏度分析與篩選試驗的試驗因子聚合技術減少試驗因子數目,最后采用序貫設計進行試驗設計,形成試驗方案。

3.3 基于仿真的武器裝備體系作戰效能評估技術

武器裝備體系對抗是一個典型的復雜巨系統問題,影響對抗結果的因素很多,包括裝備技術因素、作戰(指揮)因素、人的行為(規則)因素、戰場環境因素等,且相互之間存在諸多交叉影響。對于武器裝備不同的體系作戰樣式而言,體系作戰效能具體是什么、相互之間是什么關系、怎么評價,這是理論和技術上的難點[12]。

圖5 是一種數據驅動的裝備體系仿真評估方案。該方案以武器裝備體系對抗仿真試驗為基礎,采用作者所在團隊研發的數據驅動的智能評估方法,開展武器裝備體系效能、貢獻度等評估,支撐裝備的論證以及優化設計。基于該方案,目前已在重點裝備的立項論證、作戰效能評估,以及重要演習方案評估、敘利亞熱點分析等多個案例中進行應用,取得了良好的效果。

3.4 大數據管理與分析技術

體系仿真涉及的數據主要包括模型數據、想定數據、方案數據、試驗數據、分析評估數據等。每開展一次仿真試驗,新增數據少則數十吉字節,多則上百吉字節。目前,這類龐大的數據資源利用率極低,其價值沒得到充分挖掘。體系仿真大數據管理與分析技術主要研究大數據的存儲、分析、挖掘技術等,用于支撐裝備體系的設計與評估。

圖5 數據驅動的武器裝備體系仿真評估框架Fig.5 Diagram of data-based weapon SoS simulation and evaluation

圖6是一種大數據管理與分析框架,主要包括3個層次,分別是數據源層、平臺層和應用層。為了實現大數據的管理與分析,平臺層又可劃分為4個部分,分別是數據存儲/處理底層框架、統一數據獲取、大數據預處理和大數據分析與服務。

圖6 大數據管理與分析框架Fig.6 Architecture of big data management and analysis

4 后續發展

目前,國內外對裝備體系對抗仿真研究較多,在建模理論與方法、體系仿真支撐技術、仿真評估應用等方面取得了不少理論與應用成果。今后,在需求牽引和技術發展的推動下,仿真技術呈現出以下趨勢：

1)仿真技術從傳統側重支撐“中間”設計驗證向支撐論證和試驗鑒定“兩頭”拓展

為了及早發現并解決技術或裝備存在的缺陷,防止不成熟的技術物化為作戰系統,美國國防部在裝備論證及分析階段就引入作戰任務環境,拓展試驗內容,以指導裝備體系的頂層設計,幫助決策者判斷裝備系統、裝備體系等能否滿足作戰任務要求。為實現體系對抗條件下對裝備進行科學、全面考核評估,在試驗鑒定階段,美軍提出了“仿真試驗與鑒定過程”概念,推行仿真試驗與鑒定的一體化。

2)體系建模與仿真技術向智能化發展

體系建模與仿真在大數據、機器學習等技術的推動下,正朝著智能化方向發展,以適應研究對象涌現性、自組織性和不確定性的演化特征。智能化建模仿真可根據研究對象的變化情況進行自組裝、自學習,實現自適應性仿真。特別是“人”的因素加入后,對建模技術提出了較大挑戰。“人”是作戰體系中的關鍵因素,人的行為在很大程度上影響著事件最終的發展方向。智能化建模研究為體系仿真過程中對“人”的要素模擬提供支撐。當前,智能化建模在人的行為建模方面的主要內容有：指揮控制行為建模、智能規劃/決策建模、博弈對抗行為建模、類腦裝備建模、復雜網絡系統組織行為建模等。

3)新概念裝備實體建模逐步加強

裝備實體建模對象是偵察、定位、決策、行動(OODA)環中的各類裝備。對于已列裝/定型的裝備,由于其作戰原理、指標特性、運用方式等均有成熟研究,所構建的仿真模型一般而言具有較高的置信度。對于新概念裝備,特別是顛覆性概念裝備,正處于研究探索的過程中,對其建模難度較大。當前,新概念裝備建模對象主要有：天基信息網絡、天空地一體化信息網絡、智能決策系統、跨域指揮與控制系統、跨介質作戰平臺、無人機蜂群、動能武器、定向能武器、太空機器人等。